(57)【要約】単一基板、厚みがある基板、硬い基板、ガラス又はセラミック板に形成された半導体装置又はＭＥＭＳ装置を分離するために使用する、効果的かつ高速なレーザー加工方法を提示する。レーザー加工方法は、集光レンズ（１）によりパルスレーザービームを変形する工程を含む。集光レンズの光学表面には、異なる曲線半径を有する分割部が形成される。さらに、ビーム拡がり及びビーム径が調整され、ビームの焦点が加工対象物のバルクに集光されるため、ビーム集束領域に複数の焦点が形成され、特に分割レンズの光学軸から複数の焦点が間隔付けされて形成され、各焦点は加工対象物の光学損傷閾値フルエンス（パワー分布）よりも大きくなるように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の劈開またはダイシングを行うレーザー加工方法であって、
パルスレーザービームを与える工程と、
前記パルスレーザービームをレンズで集光する工程と、
加工対象物に集光した前記パルスレーザービームを照射し、損傷構造のシーケンスを形成して劈開面を生成する工程と、を備え、
加工対象物は、放射したレーザーに対して透明であり、前記パルスレーザービームの光子エネルギーを超えるバンドギャップエネルギーを特徴とし、
前記パルスレーザービームを集光する工程において、前記レンズの表面の少なくとも一つに分割部が形成された多分割レンズを使用し、前記分割部はそれぞれ異なる焦点距離を有し、
前記分割部ごとに異なる前記焦点距離は、空間上で分割した複数の焦点を生成するために使用され、前記複数の焦点は「スパイク形状」の焦点に変換される、レーザー加工方法。
【請求項２】
前記加工対象物はウェハ形状の基板であり、前記基板の材料は硬い材料、脆弱な材料、またはガラスであり、前記基板のバンドギャップエネルギーが０．９ｅＶ以上であり、前記基板の材料は炭化ケイ素、窒化ガリウム、サファイア、ダイヤモンド、ニオブ酸リチウム、ガラス、またはこれに類似する材料から選択される、請求項１に記載のレーザー加工方法。
【請求項３】
前記多分割レンズの分割部は軸対称であり、同心円状で整列する、請求項１または２に記載のレーザー加工方法。
【請求項４】
前記多分割レンズの分割部は非球面であり、焦点における球面収差を減少するように配置されている、請求項１から３のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項５】
前記多分割レンズには２つ以上の分割部が形成され、各分割部は異なる曲線半径を有する、請求項１から４のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項６】
前記分割部の寸法は、ガウシアンビームの各焦点におけるエネルギーが均等となるように選択される、請求項１から５のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項７】
複数の焦点間の距離及びエネルギー分布によって、光が通過する方向における干渉強度分布の形成が決定され、劈開し又はダイシングする前記基板の深さ方向に所定の長さで延伸する、前記スパイク形状のフルエンス分布を形成する、請求項１から５のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項８】
前記スパイク形状のフルエンス分布は、アスペクト比が５０倍以上である、請求項７に記載のレーザー加工方法。
【請求項９】
前記多分割レンズは前記パルスレーザービームを集光し、横断方向に延伸し前記多分割レンズに衝突する前記パルスレーザービームは焦点で集光され、前記焦点は他の焦点と等間隔で配置される、請求項１から８のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項１０】
前記パルスレーザービームは、入射ビームを少なくとも２つの光路に分岐し、前記光路のそれぞれにおけるビーム拡がりを個別に制御するビーム形成ユニットの影響を受け、前記ビーム形成ユニットは前記少なくとも２つの光路から入射した前記パルスレーザービームを、その後１つの光路に結合するように構成される、請求項１から９のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項１１】
前記劈開面を生成する工程は、集光した前記パルスレーザービームに対応して前記加工対象物を並進させ、前記加工対象物が所望の大きさに到達するまで切断ラインを生成する工程をさらに備える、請求項１から１０のうちいずれか一項に記載のレーザー加工方法。
【請求項１２】
前記加工対象物は所定の方向に並進し、直線及び／又は曲線及び／または球状の形状を有する、隣接した損傷構造から０．１から１０μｍ離れた位置にレーザーを照射する、請求項１１に記載のレーザー加工方法。
【請求項１３】
ウェハの切断、スクライブ又はダイシングに使用するレーザー加工システムであって、パルスレーザービーム源と、レンズと、ウェハの位置決めをする配置システムと、を備え、前記レンズの表面には少なくとも一つの分割部が形成され、前記表面に形成された分割部は、光学軸上間隔付けして配置された複数の前記パルスレーザー源を集光するように構成される、レーザー加工システム。
【請求項１４】
前記レンズと関連し、加工対象物の前記表面に対し固定した位置で焦点を配置する、位置決めステージを更に有する、請求項１３に記載のレーザー加工システム。
【請求項１５】
さらに入射する前記パルスレーザービームを少なくとも２本の光路に分岐し、前記光路における前記パルスレーザービームの拡がりを分離して制御し、その後、前記二つの光路に分岐した前記パルスレーザービームを１つの光路に結合するように構成される、請求項１３又は１４に記載のレーザー加工システム。
【請求項１６】
さらに、前記パルスレーザービームを２〜８本の光路に分岐する、請求項１５に記載のレーザー加工システム。
【請求項１７】
さらに、補足的回折素子ビーム変調素子、位相又は振幅変調素子、複屈折素子、収差補正素子、フラット・トップビーム形状の回折光学素子、又はその他補償光学部を備える、請求項１３から１６のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１８】
前記パルスレーザービーム源は、中心波長が５００〜２０００ｎｍの範囲であるレーザーを照射し、又は前記レーザーの波長は光パラメトリックによって調節される、請求項１３から１７のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１９】
前記パルスレーザービーム源は、パルス期間は１００〜１５，０００ｆｓの間であり、周波数が１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間である、請求項１３から１８のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項２０】
前記パルスレーザービームビーム源は、パルスエネルギーの幅が１〜１００Ｊの範囲であるレーザーパルスを放射する、請求項１３から１９のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザーによる加工技術に関する。特に、本発明は特別な形状を有するレーザービームを使用して、硬い材料、脆弱な材料、様々なガラス及びセラミックを劈開／ダイシングする方法に関する。本発明は、基板に形成された半導体デバイスを分離する技術として有用である。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスはこれまで以上に微細かつ複雑になっており、ウェハのダイシングは半導体デバイスの製造に重要な役割を果たす。古典的なダイシングの手法は、厚み１００μｍ以上のシリコンウェハについてはダイヤモンドカッターの使用、１００μｍよりも薄い場合はレーザーアブレーションに基づく。
【０００３】
ダイヤモンドディスクソー技術は、（硬質な材料に対しては）処理する速度が遅いことに伴い制限される。ダイヤモンドディスクソーは、一般に、切り口部分の幅が広く、欠けを生成するため、端部の品質が劣化し、デバイスの歩留まりの低下及び寿命の低下を生じる。ダイヤモンドディスクは短期間で劣化するため、高価な技術であり、かつ水冷却及びクリーニングの必要性が生じることから実用性も低い。加えて、切削される基板が薄い場合、ダイヤモンドディスクの性能が限定される。
【０００４】
レーザーアブレーションと呼ばれる別の古典的なレーザー加工技術は、加工速度が遅く、かつ切り口の幅が１０〜２０μｍに達し、殆どの場合は広すぎる幅であることから、制限される。さらに、レーザーアブレーションはクラックを誘発し、融解された残留物を生成し、破片が切断領域を汚染する。熱による影響を受けた範囲が広いと、半導体デバイスの寿命及び有効性の低下に繋がる。
【０００５】
レーザーアブレーション及びダイヤモンドディスクソー技術は、接着積層のための染料が付着したフィルム等、特徴的な表面を有する特殊ウェハには使用できない。このような特徴が追加されると、従来のカット及びアブレーションがより難しくなり、破片に対して弱くなる。これまで、切断されたデバイスの品質を向上するために、様々なレーザー加工方法及び装置が開発された。
【０００６】
２００６年１月３１日発行された米国特許第６，９９２，０２６号には、レ一ザ加工方法及びレ一ザ加工装置が開示されている。この方法及び装置によれば、加工対象物の表面に溶融の跡を作り、切断ラインから外れた位置から垂直に伸びるクラックを発生させることなく、加工対象物の切断が可能となる。加工対象物の表面には、多光子吸収を生じるために十分な条件下、予定された切断ラインに沿ってパルスレーザービームを照射し、ビームの焦点（または集光点：高エネルギー／光子密度ゾーン）は、加工対象物の内部に配置されるように位置合わせされ、劈開面に沿って焦点を移動させることにより、所定の劈開線に沿って改質領域を形成する。改質領域の形成後、加工対象物は比較的に小さな力で機械的に切断できる。
【０００７】
上述した加工方法及びその変形例は、従来から「ステルスダイシング」技術として知られている。この技術の変形例は全て、ウェハを透過する集光パルスレーザービームの波長が内部穿孔を生成するものであるが、例えば内部のガラスにエッチングが施された装飾ブロックなど、焦点での非線形過程により吸収されるものに基づく。このガラス内部の穿孔は、表裏面に損傷や汚れを発生させない。ウェハは通常、機械的に伸びるプラスチック製の粘着テープの上に配置され、穿孔にクラックを生じさせる。ステルスダイシング技術は、従来技術とは異なり、残留物、表面のクラックまたは熱ダメージが生じないと主張する。上記の特性及び複数層について、ＭＥＭＳ（メムス、Micro Electro Mechanical Systems）デバイスも、同じ方法で分離可能である。
【０００８】
ステルスダイシング技術の課題は、典型的には、ステルスダイシングを行うために、開口数（ＮＡ）が大きいレンズを使用する必要があり、結果として焦点深度（ＤＯＦ）が浅くなり、集光状態が狭くなる。その結果、劈開表面の複数方向に広がるクラックが生じ、この劈開されたウェハから形成されたデバイスの寿命に影響を与える。また、ステルスダイシングは、サファイアを加工する際に問題を生じる。これらの特定の不具合は、ウェハ及び基板の最大厚さが１２０〜１４０μｍの間であり、切断のために分断線を１回のみ通過する場合には生じない。しかし、厚みがあるウェハ（通常、４〜６インチのサファイアウェハは、厚さ１４０〜２５０μｍ又はこれ以上である）では、レーザーが分断線を複数回通過する必要がある。その結果、材料は長時間に渡りレーザーに露出され、最終的なデバイスの性能及び生産量に悪影響を与える。加えて、分断線を複数回通過する工程は、全体の加工速度及びスループットに遅れを生じる。
【０００９】
材料加工に関する他の方法は、２０１３年５月２３日に発行された、米国特許第２０１３／０１２６５７３号（特表２０１３−５３６０８１）に開示されている。この方法は、切断工程の際に透明基板の内部を加工するために用いられる。基板は、基板内にフィラメントを作り出すため、選択されたパルスエネルギー及びパルス持続時間を有するパルスで構成される、集束レーザービームで照射される。基板はレーザービームに対して並進して照射され、一つ又は複数の箇所で追加のフィラメントを作り出す。結果物のフィラメントは、基板を劈開するために内部でスクライブされた経路を規定する配列を形成する。レーザービームパラメータは、フィラメント長及び位置を調節し、任意でＶ字チャネル又は溝を導入して、レーザー劈開された端部にベベルを提供するために変動させることができる。好ましくは、レーザーパルスは、バースト列の形で送達され、フィラメント形成のエネルギー閾値を低下させ、フィラメント長さを増加し、フィラメント変性域を熱アニーリングして付随的な損傷を最小限に抑え、加工の再現性を改善し、パルス繰り返し率が低いレーザーを使用した場合に比べて加工速度を増加させる。
【００１０】
この手法では、切削が荒くなるため、ベア材料にのみ適用可能であり、高いパルスエネルギーを要し、また最終的な半導体装置に悪影響を与えるため、ダイシングには適していない。特に、上記方法でウェハをダイシングすると、結果物の発光ダイオード（ＬＥＤ）の漏電が増加し、高輝度（ＨＢ）ＬＥＤ及び超高輝度（ＵＨＢ）ＬＥＤの性能を著しく低下させる。
【００１１】
２００９年２月５日に発行された、米国特許公開第２００９／００３２５１１号はレーザービーム操作方法を開示しており、特に、レーザーによる材料加工に応用できるレーザービームの形成及びレーザービームの均一化について開示している。この発明は、一般的には基板の表面に含まれるアニール領域全体に、均一なエネルギーを安定して送達できる光学システムに関する。光学システムは、基板表面の望ましい二次元形状を有する領域に、エネルギーを均一に送達又は放射できるように構成されている。典型的には、アニール領域は正方形または長方形である。一般的には、当該発明の光学システム及び方法は、アニール領域内でエネルギーを送達し、一つ以上の領域において再溶融及び固化させるために使用される。
【００１２】
２００５年８月１１日に発行された、ドイツ特許公開第１０２００４００１９４９号は、レーザーの焦点を平行軸に合わせるために多分割レンズを使用した、レーザーマシンシステムに関する。このようなシステムは、レーザーによる材料加工でも使用できる。レンズの表面は５分割され、各分割部は球状のレンズ表面の周辺において等間隔で配置され、焦点はファイバガイドに向けられている。レーザーはレンズに向けられている。これによって、加工対象物の表面に対応する出力ポイントに、レーザーの焦点を合わせることができる。
【００１３】
２０１３年１０月３日に発行された、米国特許公開第２０１３／０２５６２８６号は、延伸した非点ビーム束及び超短パルスを使用したレーザー加工方法を示す。調整可能な非点ビーム束は、超短パルス及び／又は長い波長を有するレーザービームから形成され、様々な材料から形成される基板を加工する。レーザービームは、１ｎｓ以下のパルス持続時間、及び／または波長が４００ｎｍ以下のパルスから生成される。レーザービームは変形され、第１軸でコリメートして第２軸で伝播する非点ビームを生成する。非点ビームは基板上で、長い波長を有する非点で集光され、基板に対して第１軸で集光し、第２軸でデフォーカスされる。長い波長を有する非点ビームは、長さを調整し、基板の少なくとも一部にコールド・アブレーションを引き起こすために十分なエネルギーを与える。
【００１４】
２０１２年９月２０日に発行された米国特許出願公開第２０１２／０２３４８０７号は、加工対象物に拡張深さを形成するレーザースクライビング方法を開示する。本方法では、意図的に収差を生じるようにレーザービームを集光する。球面の縦収差幅は、拡張深さが加工対象物に限定された球面の横収差幅で伸びるように調整される。本方法では、高エネルギーパルスによる粗い加工により、加工対象物の内部に垂直方向の損傷トレースが形成される。本方法では、開口数が小さいレンズ（収束長さが０．１ｍｍ以下のもの）を使用する必要があるため、高パルスエネルギーが要求され、結果として集束が緩くなる。集束点は非常に平坦な空間強度プロファイルを有するため、作動状態において閾値のエネルギー密度が広範囲で比較的にピーク値が小さい状態で生じる。（光学破壊を起こすために必要な）パルス強度に対する要求の高まりにより、高パルスエネルギーの必要性が高まっており、上述の通り、ＬＥＤでの漏電及びチップ壁面のクラックが生じるため、ＨＢ及びＵＨＢのＬＥＤの使用には抵抗がある。
【００１５】
２０１６年４月２１日に発行された国際公開第２０１６／０５９４４９号は、スパイク状の損傷構造を形成し、基板を劈開またはダイシングするレーザー加工方法を開示している。この発明は、単一基板、厚みがある基板、硬い基板に形成された半導体装置を分離するために、レーザー加工を効率的に行う方法に関する。劈開／切断／ダイシングを行うデバイス又は基板を用意する工程において、所望の劈開線に沿って深いかつ狭い幅の損傷領域を形成する。レーザー加工方法は、ビーム集束ユニットによってパルスレーザービームをスパイク状のビーム集束領域等に変形する工程、特に加工対象物のバルク上で、光学損傷閾値フルエンス（パワー分布）を形成する工程が含まれる。上述する工程において、変形領域（スパイク状の形状を有する）が形成される。レーザー加工方法はさらに、レーザービーム凝縮点に対して加工対象物を並進移動させることによって、所定の劈開線に沿って複数の損傷構造を形成する工程が含まれる。
【００１６】
先行技術の手法では、基板の厚み、材料の種類及び分離されたウェハ加工の質など面において、制限が生じていた。さらに厚みがある材料を加工するためには、上述の技術ではレーザー出力の増加または切断線を通過するレーザービームの数を増やす必要があった。その結果、半導体装置の性能及び製造工程に悪影響を与えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第６，９９２，０２６号公報（国際公開第０２／２２３０１号公報）
【特許文献２】特表２０１３−５３６０８１号公報（米国特許第２０１３／０１２６５７３号）
【特許文献３】米国特許公開第２００９／００３２５１１号公報
【特許文献４】ドイツ特許公開第１０２００４００１９４９号公報
【特許文献５】米国特許公開第２０１３／０２５６２８６号公報
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１２／０２３４８０７号公報
【特許文献７】特表２０１７−５３６７０６号公報（国際公開第２０１６／０５９４４９号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本願発明では、単一基板、厚みがある基板、硬い基板、ガラス又はセラミック板に形成された半導体装置又はＭＥＭＳ装置を分離するために使用する、効果的かつ高速なレーザー加工方法を提示する。劈開／切断（ダイシング）を行うウェハ又は基板を用意する工程において、レーザー加工方法が使用され、当該方法は、所望の劈開線に沿って深いかつ狭い幅の損傷領域を形成する工程として特徴付けられる。本願方法は切断ラインに沿ってレーザービームを複数回往復させる必要が無く、生産収率が向上する。従って、用語「加工対象物」は本願の工程において製造され、その後機械的に分離される基板、ウェハ、ウェハ板、ガラス板、半導体装置または同様のものが含まれ、これらの用語は相互に置換可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
レーザー加工方法は、集光レンズ（１）によりパルスレーザービームを変形する工程を含む。集光レンズの光学表面には、異なる曲線半径を有する分割部が形成される。さらに、ビーム拡がり及びビーム径が調整され、ビームの焦点が加工対象物のバルクに集光されるため、ビーム集束領域に複数の焦点が形成され、特に分割レンズの光学軸から複数の焦点が間隔付けされて形成され、各焦点は加工対象物の光学損傷閾値フルエンス（パワー分布）よりも大きくなるように構成される。
【００２０】
材料は、放射されたレーザーを部分的または全体的に透過し、好ましくは、バンドギャップエネルギーは０．９ｅＶ以上である。加工対象物を照射すると、加工対象物の厚さ方向に焦点のアレイが形成される。焦点のアレイは「スパイク形状」を構成し、複数の焦点のエネルギー分布は互いに重なり、レーザーによる高強度領域が伸長した干渉を与える。フルエンスは、多光子吸収が少なくとも複数の焦点のそれぞれにおいて、または干渉性が伸長した高強度領域の全体で生じるように設定され、局所溶融またはクーロン爆発につながる。損傷構造としても知られる、変形領域の群（干渉場として伸長した形状を有する）は、加工対象物のバルク上で、所望のダイシング切線に沿って生成される。
【発明の効果】
【００２１】
本願のレーザー加工方法は、レーザービームの焦点に対して加工対象物を並進移動させ、所定の劈開線に複数の損傷構造を生成する工程を備える。当業者であれば、対象物に線を形成することにより、対象物には損傷領域のシーケンスによって定義される境界線が形成され、機械的に力を与えることによって、対象物を２つ以上の小さな片に分離できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本願発明に係る方法を理解し、応用の形態を理解するために、以下の写真が参照される。以下の図は発明の理解のために提示され、本願発明の範囲を制限するものではない。
【図１】多分割レンズから伝播するレーザービームの概略図である。各線は、ビームの異なる部分の境界線を示し、これらの部分は異なる焦点を生成するレンズ表面の分割部分によって形成される。
【図２】レーザービームのガウシアン強度分布を多分割レンズで集光することにより入手できる、加工対象物の内部を光追跡した例である。ビームの各部分は、加工対象物の内部において同じ光学軸上で集光され、複数の損傷構造が生成され、劈開／切断面を形成する。
【図３】本願発明に係る方法及び光学システムに係るレーザー加工システムの概要図である。
【図４】本願発明の変形例であり、光路はビームスプリッタによって２つのアームに分離し、各アームでビーム形状が個別に形成される。その後、２つの光路は統合され、集光要素である集光レンズの方向に向けて方向付けされる。
【図５】上述したレンズ（１）を通過した、数値換算された入射レーザービームを遠くから見た図であり、光線をトレースする幾何学的な形状を形成し、複数の焦点（２４）が形成される。
【図６】上述したレンズ（１）を通過した、数値換算された入射レーザービームを遠くから見た図であり、光が通過する方向に沿って、所定の長さの「スパイク形状（２５）」である干渉強度分布を形成する。
【図７】「スパイク形状（２５）」の光強度分布（２６）を数値換算した図である。
【図８】異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを集光し、開口数が大きい同心環状の非球面レンズ（１）で加工したことによって損傷構造（１８）が形成された加工対象物（２）の表面を顕微鏡で見た図である。
【図９】約１９０μｍの厚さを有するニオブ酸リチウム（LiNbO3）ウェハである加工対象物の端部に形成された、レーザーで誘発された損傷領域を表す。第１レーザービームの光路は、損傷領域から６０μｍの位置であり（２７）、第２レーザービームの光路は、第１レーザービームによる損傷領域から１００μｍの位置である（２８）。切断された端部の破片は、異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを集光する、開口数が高い非球面分割レンズ（１）で集光することによって入手できる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は一つの基板に形成された半導体又はＭＥＭＳ装置を分離し、または硬い又は脆弱な基板を分離するレーザー加工方法及びシステムに関する。劈開／切断を行う基板サンプルを用意する工程において、所望の劈開線に沿って深いかつ狭い幅の損傷領域を形成する。
【００２４】
最も望ましい実施例において、レーザー加工方法は、パルスレーザービーム（１３）を与える工程と、多分割レンズ（１）でパルスレーザービームを集光する工程と、加工対象物（２）にパルスレーザービームを照射する工程と、損傷構造（１８）のシーケンスを形成して劈開面を生成する工程と、を備える。加工対象物は、放射したレーザーを透過し、レーザーの光子エネルギーを超えるバンドギャップエネルギーを特徴とする。レーザービームを集光する工程においては多分割レンズ（１）を使用し、レンズの表面の少なくとも一つには分割部が形成され、各分割部の表面はそれぞれ異なる焦点距離を有する。分割部ごとに異なる焦点距離は、光学軸に対し、複数の空間上分離した焦点を生成するために使用される。特に、形状が事前に形成されたレーザービームがレンズ（１）を通過すると、異なる曲線領域を通過する光線が複数の焦点で集光する（２４）。各曲線領域が非球面であることにより、これらの焦点において球面収差が生じない。曲線領域（３〜７）の寸法は、ガウシアンビームの各焦点におけるエネルギー分布が均等となるように選択される。レンズの開口数は大きくなるように設計されるため、焦点が微小となる。複数の焦点間（２４）の距離の短さ及びエネルギー分布によって、光が通過する方向における干渉強度分布の形成が決定付けられる。このようなエネルギー分布は、所定の長さを有する高強度の「スパイク」として参照される。
【００２５】
図６は、強度分布を二次元で表示し、数値化した図である。実際には、複数の焦点（２４）が効果的に結合することにより、従来の単一焦点を有する非球面レンズと比較し、基板の深さ方向により延伸する「スパイク」（２５）を形成する。上記特徴が本願発明の要点である。図７は、「スパイク形状（２５）」で形成されたパルスレーザービームの光透過方向における光強度分布（２６）を数値換算した図である。この「スパイク」は光学破壊を誘発するため、例えば加工対象物に光学破壊閾値よりも大きいフルエンス（パワー分布）を達成するために必要である。このようなパワー分布は基板内部の厚さ方向に沿って形成され、加工対象物（２）又は板を小さな片に劈開する。
【００２６】
多くの望ましい実施例において、「スパイク状」のフルエンス分布は、アスペクト比が５０倍以上であり、すなわち、縦断方向のフルエンス分布は、横断方向と比較して５０倍またはそれ以上である。
【００２７】
図８及び図９は、図１で図示された、開口数が大きい非球面状の多分割レンズによって方向付けされた、異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームによって加工された結果である。
【００２８】
図８は、異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを、開口数が高い同心環状の非球面レンズ（１）で集光したことによって損傷構造（１８）が形成された加工対象物の表面を、顕微鏡を使用して見た図である。図９は、約１９０μｍの厚さを有するニオブ酸リチウム（LiNbO3）ウェハでの端部に形成された、レーザーで誘発された損傷領域を表す。第１レーザービームの光路は、損傷領域から６０μｍの位置であり（２７）、第２レーザービームの光路は、第１レーザービームによる損傷領域から１００μｍの位置である（２８）。切断された端部の破片は、異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを集光する、開口数が高い非球面分割レンズ（１）で複数の集光を実施することによって入手できる。
【００２９】
加工対象物（２）に集光したパルスレーザービーム（１３）を照射する工程は、照射と同時に、集光レンズ（１）の光学軸が横断する方向に、加工対象物を並進させることを含む。パルスレーザービームの集光は、加工対象物の内部に複数のビーム集束領域（集光スポット、焦点）を形成し、ビーム集束領域の形状と一致するまたは近似する損傷構造を形成することにより達成される。ビーム集束領域は、加工対象物の閾値を超える空間的フルエンスが、図２で示されるような焦点構造の形状で分布されることによって形成される。
【００３０】
用語「損傷」とは、後述する劈開工程において、（境界線に沿って）制御されたクラックを生じるように物質のメカニズムを変形するために十分な、物質の局所的な変質をいう。このような変質または損傷構造（部分的損傷部または領域）は、多光子吸収のメカニズムによって引き起こされ、これは、加工対象物がレーザーの中心波長に対して部分的又は全体的に透明であり（好ましくは複数回、物質のバンドギャップが光子エネルギーを超過する）、例えばビーム集束など、短波パルス及び超短波パルスを使用して十分な光子密度が達成できれば可能である。好ましくは、加工対象物のバンドギャップエネルギーは、０．９ｅＶ以上である。
【００３１】
加工方法はさらに、離れた位置においてサンプルに連続的な照射をすることを含み、複数の損傷構造（１８）が切断／分離線を形成する。これは、モータを取り付けた構造物である直進移動ステージ（１７）に加工対象物（２）を取り付け、加工対象物を所望の劈開線に沿って動かし、劈開面を形成することによって達成できることが望ましい。異なる形状の移動ステージを用いても良いことは当業者にとって自明であり、例えば、ビーム集束ユニット及び加工対象物の移動が確保できれば、回転ステージを用いること、ビーム集束ユニットを動かすことを含んでいてもよい。加工対象物としては、全てのウェハ形状の基板、つまり、材料が硬い又は脆弱であり、バンドギャップが０．９ｅＶ以上であり、機械的に形成することが難しい形状の基板を使用してもよい。
【００３２】
他の実施形態では、配置システムは加工対象物（又は集束素子）を曲線、球状の軌道、または楕円状の軌道に並進させるように構成されている。その結果、１枚の加工対象物から様々な二次元構造を切り出すことができる。これは化学強化ガラスを含むガラス又はセラミック板等、無定形またはマルチクリスタル材料を生成する際に有用である。
【００３３】
最も好ましい実施形態は、パルスレーザービーム、好ましくは球状−楕円球状のガウス強度分布である、パルスレーザービーム源（１４）を使用し、レンズと（１）、図３に示すようにレンズ（１）又は加工対象物（２）との距離を安定させるビーム集束ユニットと（１５）、モータが取り付けられた直進ステージ等の加工対象物（２）を保持及び移動（１７）する構造と、を備えるビーム集束ユニット（１、１５、１６）を使用し、上述する手段を実行することである。上述のパルスレーザービーム源（１４）は、好ましくは、連続した定偏波のレーザーパルスを安定的に生成でき、十分に定義された一時的エンベロープを有するレーザー、好ましくはガウシアンビームである。パルス期間は１００〜１５，０００ｆｓの間であり、中心波長が５００〜２０００ｎｍの範囲であり、周波数が１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間である。パルスレーザービーム源は集束ユニット（１、１５、１６）の後ろで、パルスエネルギーの幅が１〜１００Ｊとするために十分なパルスを有する。ビーム形成ユニット（１５）は、好ましくはビームエキスパンダ（１５）を含み、例えばケプラン式又はガリレオ式ビームエキスパンダ、又はビームがレンズ（１）に入射する前に適切なビーム幅及び拡がりを形成するために必要なその他の構造を含む。ビーム形成ユニットは、好ましくは多分割レンズ（１）と、レンズと加工対象物との所定の距離を維持するための構造と、を備え、当該構造は例えば、圧電性のナノポジショナー又はモータ化された直進移動ステージ（１６）による距離監視方法であり、これらはレンズの作業距離において、レンズ（１、１５，１６）と加工対象物（２）との間の距離を維持する。尚、移動スピードが３００ｍ／秒におけるエラーの最大量は、約２μｍである。レンズ（１）は、加工対象物に対する複数のビームを集束し、図２のような高い空間強度分布を有し、及び／または複数の焦点を備える形状（フルエンスの空間分布が加工対象物の損傷領域よりも高い）を形成するように配置されるべきである。形成された損傷構造（１８）は加工対象物のバルクの第１表面（１９）から延伸し、必要であれば、例えば第１表面（１９）にアブレーション（アブレーションを形成したピット（２０））を誘発することにより形成される。
【００３４】
レンズ（１）の開口数（Numeric Aperture, NA）は大きいことが好ましい（ＮＡ＞０．７）が、他の実施例では、レンズの形状が複数に分割できることを許容し、各分割部の曲率半径が異なり、複数の焦点を形成でき、好ましくは一つのセグメントが一つの焦点を生成するために使用できれば、開口数を０．５〜０．９の範囲で選択できる。図２は、ビーム集束領域の光線トレース画像の一例を示す。
【００３５】
他の実施例では、集光レンズ（１）は、複数のビーム焦点を形成する多分割レンズである（図１参照）。レンズの凹面には２つ以上の分割部が形成され、各分割部の曲線半径及び焦点距離の特徴はそれぞれ異なる。各分割部の切り替わりはスムーズであることから、集光スポットの切り替わりは徐々に行われ、フルエンスが高い複数の領域でスパイク状の焦点が形成される。入射するパルスレーザービームは拡がることが好ましく、ビームの断面がレンズ開口部の９０％を覆い、このようなレンズが複数の焦点を同時に生成する（図２参照）。最も好ましい実施例において、ビームはレンズとフィットし、1/e2幅におけるガウスビーム強度は、多分割レンズ（１）の開口部の円周と近似する。
【００３６】
好ましくは、表面に到達するレーザーパルスの間隔は、０．１μｍから１０μｍの間であり、モータを取り付けた直進移動ステージ（１７）、レーザーパルスの繰り返し率、またはその両方の移動速度を変更することによって調整可能である。損傷構造（１８）は、モータを取り付けた直進移動ステージ（１７）を並進移動するによって形成される。一本の劈開線に対する反復移動（直進移動）は２回までであるが、これに限定されない。この場合、狭い集光状態及び複数の焦点の形成は関連性を有し、これは多分割レンズのパラメータ、レンズの材料の光学的な性質、入射するパルスレーザービームの性質を制御することによって調整できる。
【００３７】
レンズの構造は、加工対象物のパラメータ、例えば厚さ、バンドギャップエネルギー、吸収率、屈折率などに依拠する。複数の焦点でより良いフルエンス分布を取り入れるために、レンズ構造には、ガウシアンビーム又はトップハットビームを取り入れることができる。レンズ（１）の分割部は、サイズ又は表面の面積によって異なる。
【００３８】
他の好ましい実施形態では、同じ集光レンズ（１）を使用し、異なる拡がり角度を持つ最大４本のレーザービームを同時に集光することにより、複数の焦点を持つ複数のアレイを生成し、加工速度を上げ、またはより厚みがあるウェハを生成できる加工システムに適している。
【００３９】
前述した実施形態は、例えば極性が異なる、または放出を遅延させ、または空間上で分離させる等、パルスレーザービーム（１３）を複数の要素に分離する工程を備える光学システムである。パルスレーザービームを複数の要素に分離することは、複屈折の装置、ビームスプリッタ、偏光子、プリズム、その他の光学素子によって達成できる。また、上述した入射ビーム集束を変更する方法は、各光路においてビームパラメータを調節するために適用できる。その結果、複数のパルスレーザービームが形成され、材料内で複数の損傷構造を生成し、または均等に分散したフルエンスを生成する。そのため、全体の加工速度が向上し、または全体の精密性が向上する。図４は、ビームスプリッタアセンブリの変形例の一例を示す。変形例としては、ビーム形成要素の配置場所の違いが挙げられる。ビーム形成要素（２３）の完全なセットは、各光路に配置できる（図４参照）。他の実施形態では、２セットの拡がり制御ユニット（例えば望遠鏡）を各光路に配置しつつ、ビーム形成装置（例えばレンズの群）は、一般的な光路上、レンズの手前に配置する。他の実施形態では、２セットの拡がり制御ユニット（例えば望遠鏡）を各光路に配置しつつ、ビーム形成装置（例えばレンズの群）は、一般的な光路上、第１ビームスプリッタ（２２）の手前に配置する。
【００４０】
他の実施形態では、ビーム集束ユニットを使用して、集束パルスレーザービームを加工対象物（２）に照射する手順において、ビーム集束ユニットは、ビーム増加または光学的形状を置換する少なくとも１つの回折素子を有し、入射ビームがレンズ（１）を通過すると、複数の焦点を生成するようにビームを形成する。
【００４１】
他の実施例では、ビーム集束ユニット（１、１５、１６）を使用して、集束パルスレーザービームを加工対象物（２）に照射する工程において、ビーム形成素子は少なくとも１つの補償光学部を有するように構成され、入射ビームが多分割レンズ（１）を通過した後、「スパイク」状の強度分布を形成するように、ビームを形成する。これによって、様々な入射ビーム（又は特に異なって変形されたビーム）の使用または加工パラメータの変動に対する補償を可能とする。このビーム形成要素（２３）は、可変形鏡、ピエゾ素子型可変形状ミラー等に基づく。
【００４２】
他の実施形態においては、ビーム集束ユニットを通して集束してパルスレーザービームを加工対象物に放射する手順において、補償光学部が、液晶光変調器またはミクロ−ミラーマトリクス等のフェーズ及び／又は振幅変調器で代替される。
【００４３】
他の実施形態では、前述した実施例に基づき、ビーム集束ユニット（１，１５，１６）を通して加工対象物（２）に対し集束したパルスレーザービームを放射する手順において、補償光学部は少なくとも１つの補足的回折素子ビーム変調素子と代替可能である。例としては、フラット・トップビーム形状の回折光学素子、収差補正のための回折光学素子が挙げられる。補足的回折素子ビーム変調素子は、当業者によって選択でき、このような素子で変調されたビームがレンズ（１）で集光し、複数の強度分布を達成する。また、このような補足的回折素子ビーム変調素子を光路に配置でき、レンズ（１）の入射に沿って配置する。
【００４４】
他の実施例では、レンズ、好ましくは多分割レンズ（１）は、図２で示すような形態でビームの焦点を操作するために使用される。多分割レンズ（１）によって影響を受けるビームの分割部は、加工対象物の表面（１９）に衝突し、わずかに屈折して集光しする。（８）は、多分割レンズ（１）の光学軸に対して垂直な面で、分割部（７）から伝播するビームが集光する。従って、図１の分割部（６）は図２の符号（９）に対応し、図１の分割部（５）は図２の符号（１０）に対応し、図１の分割部（４）は図２の符号（１１）に対応し、図１の分割部（３）は図２の符号（１２）に対応する。
【００４５】
本願発明をより詳しく説明するために、以下の実施例を提示する。以下の実施例及びパラメータは、本願発明の内容をより理解しやすくするものであり、発明の内容を限定するものではない。これらのパラメータを大きく変更することにより、異なった結果を示すが、ダイシングの主なコンセプトに違いを生じない。
【実施例１】
【００４６】
加工対象物の材料は、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）である。加工対象物は基板形状であり、厚みは約１９０μｍである。パルスレーザービーム源はフェムト秒レーザーであり、発振波長１，０３０ｎｍ、パルス幅が5ｆｓ以下（半値幅／１．４１）、出力周波数が１００ｋＨｚである。ビーム集束ユニットにおいて、集光要素としてのレンズは-０．８ＮＡ非球面レンズによって構成される。異なる広がりを持つ２つのレーザービームが、レンズによって誘導される。ビーム集束ユニットの通過後のパルスエネルギーは、それぞれ３Ｊ及び５Ｊであり、第１ビーム及び第２ビームの通過後の収束点は、ウェハの第１表面から、それぞれ深さ２０μｍ及び８０μｍの位置で形成される。損傷構造の長さは、３μｍである。加工スピード、特に直線移動ステージでの移動速度は、３００ｍｍ／秒である。図９は、加工後及び切断／ダイシング後（右）の状態を示す。
【図１】
2019527466.tif 000003
【図２】
2019527466.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月13日(2019.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザービームを与える工程と、
前記パルスレーザービームを集光する工程と、
加工対象物に集光した前記パルスレーザービームを照射する工程と、
損傷構造のシーケンスを形成して劈開面を生成する工程と、を実施し、
前記加工対象物は、放射したレーザーに対して透明であり、前記パルスレーザービームの光子エネルギーを超えるバンドギャップエネルギーを特徴とする、レーザー加工法及び基板のダイシングもしくは切断に使用する多分割レンズであって、
前記多分割レンズの表面の少なくとも一つには、軸対称であり同心円状で整列する分割部が形成され、前記多分割レンズはそれぞれ異なる焦点距離を有し、
前記多分割レンズの前記焦点距離は、空間上で分割した複数の焦点を生成し、前記複数の焦点は「スパイク形状」の焦点に変換される、多分割レンズ。
【請求項２】
前記多分割レンズには２つ以上の分割部が形成され、前記分割部はそれぞれ異なる曲線半径を有する、請求項１に記載の多分割レンズ。
【請求項３】
前記多分割レンズの分割部は非球面であり、焦点における球面収差を減少するように配置されている、請求項１又は２に記載の多分割レンズ。
【請求項４】
前記多分割レンズは前記パルスレーザービームを集光し、横断方向に延伸し前記レンズに衝突する前記パルスレーザービームは、光学軸上の焦点で集光し、前記焦点は他の焦点と等間隔で配置される、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【請求項５】
前記分割部の寸法は、ガウシアンビームの各焦点におけるエネルギー分布が均等となるように選択される、請求項１から４のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【請求項６】
複数の焦点間の距離及びエネルギー分布によって、前記レンズの光学軸上及び光が通過する方向に沿った干渉強度分布の形成を決定され、前記干渉強度分布は劈開又はダイシングする前記基板の深さ方向に所定の長さで延伸する、前記スパイク形状のフルエンス分布を形成する、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【請求項７】
前記スパイク形状のフルエンス分布は、アスペクト比が５０倍以上である、請求項１から６のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【請求項８】
前記多分割レンズは前記レーザービームをウェハ形状の基板である前記加工対象物に集光し、前記基板の材料は硬い材料、脆弱な材料、またはガラスであり、前記基板のバンドギャップエネルギーが０．９ｅＶ以上であり、前記基板の材料は炭化ケイ素、窒化ガリウム、サファイア、ダイヤモンド、ニオブ酸リチウム、ガラス、またはこれに類似する材料から選択される、請求項１から７のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【請求項９】
ウェハの切断、スクライブ又はダイシングに使用するレーザー加工システムであって、パルスレーザービーム源と、レンズと、ウェハの位置決めをする配置システムと、を備え、
前記レンズは請求項１から８に記載の多分割レンズである、レーザー加工システム。
【請求項１０】
前記多分割レンズと関連し、加工対象物の前記表面に対し固定した位置で焦点を配置する位置決めステージを更に有する、請求項９に記載のレーザー加工システム。
【請求項１１】
前記パルスレーザービームは損傷領域のシーケンスを形成し、前記損傷領域の形成は、前記加工対象物を前記パルスレーザービームに対して並進させて切断ラインを生成し、前記加工対象物が所望の大きさに到達するまで並進を繰り返す、請求項９又は１０に記載のレーザー加工システム。
【請求項１２】
前記加工対象物は所定の方向に並進し、直線及び／又は曲線及び／または球状の形状を有する、隣接した損傷構造から０．１から１０μｍ離れた位置にレーザーを照射する、請求項９又は１０に記載のレーザー加工システム。
【請求項１３】
前記レーザー加工システムはさらにビーム形成ユニットを備え、前記ビーム形成ユニットは、入射する前記パルスレーザービームを少なくとも２本の光路に分岐し、前記光路における前記パルスレーザービームの拡がりを分離して制御し、その後、分岐した前記パルスレーザービームを１本の光路に結合するように構成される、請求項９から１２のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１４】
さらに、前記パルスレーザービームを２〜８本の光路に分岐する、請求項１３に記載のレーザー加工システム。
【請求項１５】
さらに、補足的回折素子ビーム変調素子、位相又は振幅変調素子、複屈折素子、収差補正素子、フラット・トップビーム形状の回折光学素子、又はその他補償光学部を備える、請求項９から１４のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１６】
前記パルスレーザー源は、中心波長が５００〜２０００ｎｍの範囲であるレーザーを照射し、又は前記レーザーの波長は光パラメトリックによって調節される、請求項９から１５のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１７】
前記パルスレーザー源は、パルス期間は１００〜１５，０００ｆｓの間であり、周波数が１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間である、請求項９から１６のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１８】
前記レーザービーム源は、パルスエネルギーの幅が１〜１００Ｊの範囲であるレーザーパルスを放射する、請求項９から１７のいずれか一項に記載のレーザー加工システム。
【請求項１９】
単一基板、厚みがある基板、硬い基板、ガラス又はセラミック板に形成された半導体装置又はＭＥＭＳ装置を分離するために使用する、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の多分割レンズ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、レーザーによる加工技術に関連する多分割レンズに関する。特に、本発明は特別な形状を有するレーザービームを使用して、硬い材料、脆弱な材料、様々なガラス及びセラミックを劈開／ダイシングする方法及びシステムに関する。本発明は、基板に形成された半導体デバイスを分離する技術として有用である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本願発明では、単一基板、厚みがある基板、硬い基板、ガラス又はセラミック板に形成された半導体装置又はＭＥＭＳ装置を分離するために使用する多分割レンズ、効果的かつ高速なレーザー加工方法及びシステムを提示する。劈開／切断（ダイシング）を行うウェハ又は基板を用意する工程において、レーザー加工方法が使用され、当該方法は、所望の劈開線に沿って深いかつ狭い幅の損傷領域を形成する工程として特徴付けられる。本願方法は切断ラインに沿ってレーザービームを複数回往復させる必要が無く、生産収率が向上する。従って、用語「加工対象物」は本願の工程において製造され、その後機械的に分離される基板、ウェハ、ウェハ板、ガラス板、半導体装置または同様のものが含まれ、これらの用語は相互に置換可能である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本願発明に係る方法を理解し、応用の形態を理解するために、以下の写真が参照される。以下の図は発明の理解のために提示され、本願発明の範囲を制限するものではない。
【図１】左図は多分割レンズの左側面図である。右図は多分割レンズの正面図である。各線は、レンズから伝播するパルスレーザービームの境界線を示し、これらの部分は異なる焦点を生成するレンズ表面の分割部分によって形成される。
【図２】パルスレーザービームのガウシアン強度分布を多分割レンズで集光することにより入手できる、加工対象物の内部を光追跡した例である。ビームの各部分は、加工対象物の内部において同じ光学軸上で集光され、複数の損傷構造が生成され、劈開／切断面を形成する。
【図３】本願発明に係る方法及び光学システムに係るレーザー加工システムの概要図である。
【図４】本願発明の変形例であり、光路はビームスプリッタによって２つのアームに分離し、各アームでビーム形状が個別に形成される。その後、２つの光路は統合され、集光要素である集光レンズの方向に向けて方向付けされる。
【図５】上述したレンズ（１）を通過した、数値換算された、入射するパルスレーザービームを遠くから見た図であり、光線をトレースする幾何学的な形状を形成し、複数の焦点（２４）が形成される。
【図６】上述したレンズ（１）を通過した、数値換算された、入射するパルスレーザービームを遠くから見た図であり、光が通過する方向に沿って、所定の長さの「スパイク形状（２５）」である干渉強度分布を形成する。
【図７】「スパイク形状（２５）」の光強度分布（２６）を数値換算した図である。
【図８】異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを集光し、開口数が大きい同心環状の非球面レンズ（１）で加工したことによって損傷構造（１８）が形成された加工対象物（２）の表面を顕微鏡で見た図である。
【図９】約１９０μｍの厚さを有するニオブ酸リチウム（LiNbO3）ウェハである加工対象物の端部に形成された、レーザーで誘発された損傷領域を表す。第１レーザービームの光路は、損傷領域から６０μｍの位置であり（２７）、第２レーザービームの光路は、第１レーザービームによる損傷領域から１００μｍの位置である（２８）。切断された端部の破片は、異なる拡がり角度を持つ２つのレーザービームを集光する、開口数が高い非球面分割レンズ（１）で集光することによって入手できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2019527466.tif 000012
【国際調査報告】
2019527466.tif 000013
2019527466.tif 000014
2019527466.tif 000015